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1、桥梁结构稳定与振动分析研究报告姓名：储 亚 专业：交通学院、岩土工程学号：139497 邮箱：摘要对于桥梁体系，特别是大跨径的桥梁，其稳定性和振动分析变的越来越重要，已经成为结构计算，理论分析的重要因素；而桥梁的抗震能以正是桥梁稳定性和振动相结合的特性，本文简述了桥梁的抗震研究工作，并用有限元模拟分析了一个桥梁算例，可以帮助优化指导桥梁结构设计。关键词：桥梁；稳定；有限元一、前言我国是世界上地震活动最强烈的国家之一，全国很大一部分地区位于高烈度地震区域，地震灾害历来是我国最严重的自然灾害之一。2008年5月12日14时28分，我国四川省坟川发生了自建国以来最为强烈的一次特大地震。此次地震震级8
2、.0级，震中烈度11度，波及四川；甘肃和陕西省三省。极重和重灾区51个县（市；区），受灾总面积达132596平方公里，倒塌房屋540余万间，其遇难及失踪人数接近十万，直接经济损失8451亿。桥梁是生命线工程的重要组成部分，是交通运输的枢纽工程，一旦在地震中发生破坏，会造成巨大的经济和社会损失。所以桥梁在抗震救灾中处于极其重要的地位。因此，如何提高桥梁的抗震能力，使桥梁在地震时能起到安全疏散、避难的作用，地震后确保抗震救灾重建家园的交通需要，是桥梁工程中的重要研究课题。在近几十年来发生的几次大地震中，不乏桥梁遭受严重损害的例子。1971年美国San Femando地震，震级为6.6级，造成64人
3、死亡，经济总损失近10亿美元。极震区内发生了很大的地面变形和强烈的地面运动，导致高层结构；桥梁倒塌以及生命线工程的毁坏。在桥梁震害中，有五座高速公路桥被毁坏，其中两座互通式立交工程严重倒塌破坏。1976年我国唐山大地震，震级为7.8级，造成24万人死亡，16万人受伤，经济损失超过100亿人民币。位于VII至XI度地震区的130座大；中型钢筋混凝土桥梁中，倒塌18座，占13.6%，严重破坏20座，占15.6%，重大破坏34座，占26.15%，轻微损坏25座，占19.23%，基本完好的33座，仅占总数的25.38%。需要经过整修或加固才能使用的桥梁为72座，占总数的55.38%。历来认为抗震能力比
4、较好的拱桥，在此次地震中也遭受了很大的破坏。所调查的32座拱桥中，倒塌6座，占18.75%，严重破坏2座，占6.25%，中等破坏8座，占25%，轻微损伤6座，占18.75%，基本完好10座，仅占31.25%。需要重建或修复的拱桥占了50%。在遭受震害的桥梁中，铁路桥梁占39.3%，致使京山铁路等交通干线中断，切断了唐山与天津；沈阳之间的公路铁路交通，给救灾和重建带来了极大困难。这次地震充分使人们认识到结构抗震设计的重要性。1989年美国Loma Prieta地震，震级为7.0级，造成62人死亡，其中有41人是在cypress高架桥的坍塌中死亡的，经济损失超过70亿美元。此次地震给予人们十分沉痛
5、的教训，位于度区内的大量高架桥的严重破坏与坍塌导致现代化大城市重大的经济损失，使人们认识到城市桥梁抗震对策应重新探讨。1994年美国Northridge地震，震级为6.7级，造成65人死亡，5000多人受伤，经济损失约200亿美元。这次地震是美国历史上付出代价最大的一次自然灾害，公用事业及生命线工程普遍损坏，特别是七座桥梁（包括一座立交枢纽）的坍塌与破坏，使得关键的运输系统被切断。大自然再次提醒人们要重视城市生命线工程的抗震设计。1995年日本阪神地震，震级为7.2级，造成54/人死亡，经济损失约1000亿美元。这次地震给现代化的神户市带来了毁灭性的灾难。大量的桥梁坍塌、破坏，其中很多桥梁严重
6、的整体垮塌、落梁、墩柱断裂，给抗震救灾工作带来了很大的阻碍。桥梁同其他建筑物一样，如果不进行正确的抗震设计，在地震时将产生严重的破坏。目前，在桥梁抗震研究方面处于领先水平的是美国和日本。二十多年来他们做了许多开创性的工作，例如桥梁全桥模型的多台振动台模拟地震试验，桥梁上下部结构相互作用力学模型，非线性地震反应分析方法等，并将所取得的成果应用于工程实际，制定出桥梁的抗震设计规范。此外，新西兰在研究利用延性抗震和减震隔建支座方面也做出了突出的成绩，并投入了工程实用。虽然我国开展桥梁结构抗震研究工作比较晚，直到1976年唐山地震后才得以重视，但由于桥梁研究工作者的艰苦努力，十多年来所取得的科研成果还
7、是相当丰富的。先后进行了梁桥、拱桥、斜拉桥、曲桥的抗震发展研究和振动台模拟地震模型试验，研究水平从线性范围发展到非线性阶段；从确定性方法发展到可靠性理论方法，从确定桥梁的动力特性发展到求解地震反应，桥梁型式从直梁发展到曲梁，从单拱桥到连拱桥，所研究的输入方式从单向同步输入到多维多点差动输入，有的研究成果还在世界地震工程会议上进行交流，并且应用新的科研成果制定颁布了我国的桥梁抗震设计规范。二、桥梁抗震设计方法的发展：在吸取震害经验教训的基础上，各国地震工作者和结构工程师对桥梁机构的抗震设计方法进行了大量的研究。随着对地震产生的机理、地震动特性以及地震作用下结构动力响应特点、破坏机理、构件能力的研
8、究和认识的深入，以及结构在不同水准地震作用下预期性能目标的不同和经济因素的限制，促使目前的桥梁抗震设计规范在各个方面都需要进行改进。当前桥梁结构的抗震设计方法主要有：基于强度的设计方法；基于位移的设计方法； 基于能力设计方法；基于地震损伤的设计方法；基于能量的设计方法以及基于性能的设计方法。2.1 基于强度的设计方法基于强度的设计方法1是根据反应谱或等效静力法来考虑综合影响系数或反应修正系数，以此来计算地震作用效应，进而设计结构构件的强度。其缺点在于：没有考虑结构屈服后的内力重分布以及高阶振型对结构地震反应的影响，缺乏结构延性设计和结构控制的概念。同时，从多次早期的桥梁震害现象也可发现：仅进行
9、强度抗震设计的桥梁，因无法抵御巨大的地震作用而均遭受严重破坏。因此，单纯依靠强度抗震设防的原则，是我国当前桥梁抗震设计中存在的最主要问题。2.2 基于位移的设计方法在强震作用下，结构将进入弹塑性变形阶段。与弹性变形相比，过大的塑性变形将会使结构开裂、混凝土脱落、甚至破坏。结构进入弹塑性阶段后，其刚度降低、自振周期增大，进而改变了结构地震反应特性，即产生了可以耗散地震输入能的不可恢复变形，从而减小地震荷载的作用。此时，强度条件己不能恰当地估价结构的抗震能力，结构是否破坏将取决于自身的塑性变形或耗散能量的能力。近二十年来的地震灾害使人们越来越认识到位移指标在桥梁结构抗震设计中的重要性。因此，针对基
10、于强度指标的抗震设计的不足，一些学者提出了基于位移的抗震设计方法2、3，即在一定水准的地震作用下，以结构的位移响应为目标设计结构和构件，使结构达到该水准地震作用下的性能要求，包括了按延性系数设计的方法、能力谱法和直接基于位移的方法。基于位移的抗震设计的设计变量是结构的变形或构件发生的应变等，而构件强度等参数将作为最终的设计结果。由于变形和耗能能力的不足是结构在大震作用下倒塌的主要原因，所以较多学者认为用该法来控制结构在大震作用下的性能将更为合理。2.3 基于能力的设计方法自20世纪70年代以来，延性概念在结构抗震设计中不断得到重视。为了最大限度地避免地震动的不确定性，保证结构在大震下能以延性的
11、形式反应，新西兰学者T. pauly 4、5等提出了结构延性抗震设计的能力设计原理，并在新西兰得到了广泛的应用。之后，美国、欧洲等国的结构抗震设计规范也采纳了能力设计原理的一些基本概念。能力设计思想强调强度安全度差异，确保结构在大震下以延性形式反应，而不发生脆性破坏。因此，能力设计方法被定义为：基于能力设计的抗震结构，应在抗侧力的主要体系中选择合适的构件，通过对这些构件进行合理的设计，使其具有抵抗大变形的耗能能力，而其它结构构件只要具有足够的强度即可，以保证预先选择的耗能机制能发挥作用。能力设计法是结构动力概念设计的一种体现。该法的关键在于将控制概念引入了结构抗震设计，并有目的地引导结构破坏机
12、制，避免不合理破坏形态的产生。与常规的强度抗震设计方法相比，能力设计法的最大优势在于可以确保结构具有预知的和满意的延性性能，从而最大限度地避免地震动的不确定性，使结构具有最大可靠度保证意义上的防止倒塌的能力，具体表现在如下几方面：塑性铰只出现在预定的结构部位；可以选择合理的耗能机制；可对预期出现塑性铰的构件进行专门的设计；构件的局部延性需求可以与结构的整体延性需求相联系。由能力设计法所设计的结构将具有很好的韧性以避免倒塌破坏的发生，同时也降低了结构对多种不确定因素的敏感性。但是，该法也存在着不足之处，即在强震作用下，按能力设计方法设计的结构可能发生的非弹性变形难以直接确定，这就不便于进一步评价
13、所设计结构的抗震性能。2.4 基于地震损伤性能的设计方法随着对结构地震反应研究的深入，众多研究者已认识到仅考虑结构的最大位移限值是不够的。虽然非弹性变形对结构抗震和防止结构倒塌有着重要作用，但是，当地震强度超过设防烈度时，结构自身将因过多的非弹性变形而产生一定程度的损伤，而由累积耗能所产生的累积损伤也可能引起结构的倒塌破坏。因此，结构在地震作用下的非弹性变形以及由此产生的结构损伤破坏就成为结构抗震研究的一个重要方面，并由此形成了基于地震损伤性能的设计方法。该方法考虑了大震作用下结构的最大变形和累积滞回变形耗能，并将能够反映结构损伤程度的某种性能指标量化为损伤指数，以此作为设计指标。何政6、7等
14、将损伤分析引入到结构的抗震设计中，将结构的地震损伤与变形指标联系起来，并结合我国现行的抗震规范，在国内外有关地震损伤研究成果的基础上，给出了钢筋混凝土结构基于地震损伤的。三水准。性能目标，进而提出了钢筋混凝土结构的基于地震损伤性能的设计方法。同时，他们还在改进的能力谱法的基础上，结合结构的性能目标，给出了结构地震损伤性能的简化设计及验算方法。潘龙8等在参照对比钢筋混凝土建筑结构不同震害等级的损伤指数范围及地震设防水准的基础上，给出了钢筋混凝土桥梁结构在不同地震水平下的损伤性能目标，进而探讨了采用。三阶段地震损伤验算。来实现基于地震损伤性能的抗震设计方法，并通过对高墩桥梁结构的实例分析，说明了基
15、于推倒分析的桥梁结构地震损伤性能设计方法及其使用过程。在基于地震损伤性能的抗震设计方法中，最为关键的是要合理地选择能够定量描述结构地震损伤的损伤模型，并合理地确定地震损伤性能目标与损伤指数的允许值。目前，许多研究者提出了多种不同的结构损伤指标的计算模型9-11，并将结构耗散能量的能力引入到损伤指标的计算中。但是，由于地震作用下结构的损伤机理较为复杂，因此在确定结构非弹性变形、累积滞回耗能等性能指标以及结构达到不同损伤极限状态时的阀值时，还有许多技术问题有待进一步研究解决。2.5 基于能量的设计方法随着结构抗震理论研究的不断发展，人们认识到结构抵抗地震的能力不仅取决于结构的强度，还取决于结构抵抗
16、变形和耗散能量的能力，即仅仅考虑强度或位移破坏准则是有局限性的，还应该考虑滞回耗能、累积延性、屈服穿越次数和能量耗散速率等结构塑性指标。从能量观点来看，结构能否抵御地震作用而不产生破坏，主要在于结构能否以某种耗能形式来耗散地震输入到结构的能量。各国研究者普遍认为结构的能量分析能较好地反映地震动的强度、频谱特性以及持时对结构破坏的综合影响，因此，能量概念得到了极大的发展。目前，己有一些学者提出了基于能量的抗震设计方法12-14，该方法是以地震输入能为设计依据，并要求结构能吸收从地面输入的能量而不致破坏，其关键之处在于如何选择合理的地震动能量参数来计算结构变形。近年来，也有学者15-17探讨了瞬时输入能量与结构变形间的关系，认为结构在地震作用下的位移反应与结构在一周循环加载作用下的最大输入能量有对应的关系，可以用一周最大输入能量增量作为指标计算结构最
